Question

二氧化碳的捕集、利用是我国能源领域的一个重要战略方向。

（1）科学家提出由CO₂制取C的太阳能工艺如图所示。

①若“重整系统”发生的反应中n(FeO)/n(CO₂)=6，则Fe_xO_y的化学式为____________。

②“热分解系统”中每分解1mol Fe_xO_y，转移电子的物质的量为________。

（2）工业上用CO₂和H₂反应合成二甲醚。已知：CO₂(g)+ 3H₂(g)═CH₃OH(g)+ H₂O(g) △H₁=-53.7kJ/mol，CH₃OCH₃(g)+H₂O(g) ═ 2CH₃OH(g) △H₂=+23.4kJ/mol，则2CO₂(g)+ 6H₂(g)CH₃OCH₃(g)+3H₂O(g) △H₃=______kJ/mol。

①一定条件下，上述合成甲醚的反应达到平衡状态后，若改变反应的某一个条件，下列变化能说明平衡一定向正反应方向移动的是_____（填代号）。

a．逆反应速率先增大后减小           b．H₂的转化率增大

c．反应物的体积百分含量减小        d．容器中的nCO₂/nH₂值变小

②在某压强下，合成甲醚的反应在不同温度、不同投料比时，CO₂的转化率如图所示。T₁温度下，将6 mol CO₂和12molH₂充入2L的密闭容器中，5 min后反应达到平衡状态，则0～5min内的平均反应速率v(CH₃OCH₃) =___；K_A、K_B、K_C三者之间的大小关系为_____。

（3）常温下，用氨水吸收CO₂可得到NH₄HCO₃溶液，在NH₄HCO₃溶液中：c (NH₄⁺)_____c(HCO₃^－)（填“>”、“<”或“=”）；反应NH₄⁺+HCO₃^－+H₂ONH₃·H₂O+H₂CO₃的平衡常数K=__________________。（已知常温下NH₃·H₂O的电离平衡常数K_b=2×10^-5，H₂CO₃的电离平衡常数K₁=4×10^-7mol·L^-1，K₂=4×10^-11mol·L^-1）

Answer

Fe3O4 2mol -130.8 b 0.18mol·L-1·min-1 KA=KC>KB > 1.25×10-3

【解析】

（1）①由示意图可以知道，重整系统中CO2和FeO反应生成FexOy和C，根据原子守恒确定FexOy的化学式；
②热分解系统中是FexOy分解为FeO与氧气，根据Fe元素化合价变价计算转移电子；
（2）已知：Ⅰ．CO2(g)+ 3H2(g)═CH3OH(g)+ H2O(g) △H1=-53.7kJ/mol，
Ⅱ．CH3OCH3(g)+H2O(g) ═ 2CH3OH(g) △H2=+23.4kJ/mol，
根据盖斯定律，Ⅰ×2-Ⅱ可得：2CO2(g)+ 6H2(g) CH3OCH3 (g)+3H2O(g)，则△H3=2△H1-△H2；
①a．逆反应速率先增大后减小，可能是增大生成物浓度；
b．H2的转化率增大，平衡一定正向移动；
c．反应物的体积百分含量减小，可能是增大生成物浓度等；
d．容器中的nCO2/nH2值变小，可能是减小二氧化碳的物质的量；
②T1温度下，将6 mol CO2和12molH2充入2L的密闭容器中，由图象可以知道，5 min后反应达到平衡状态时二氧化碳转化率为60%，则生成CH3OCH3为6 mol60%=1.8mol，根据平均反应速率v(CH3OCH3) =；根据平衡常数仅与温度有关，温度不变，平衡常数不变，在相同投料比时，T1温度下二氧化碳转化率大，所以T1温度下较T2温度下正向进行程度大；

（3）根据盐类水解规律，已知NH3·H2O的电离平衡常数Kb=2×10-5，H2CO3的电离平衡常数K1=4×10-7，K2=4×10-11，所以碳酸氢根的水解程度更大；

反应NH4++HCO3－+H2ONH3·H2O+H2CO3的平衡常数K==。

（1）①由示意图可以知道，重整系统中CO2和FeO反应生成FexOy和C，发生的反应中n(FeO)/n(CO2)=6，根据Fe原子、O原子守恒可以知道x:y=6：（6+2）=3:4，故FexOy的化学式为Fe3O4；

因此，本题正确答案是：Fe3O4；
②热分解系统中是Fe3O4分解为FeO与氧气，分解1mol Fe3O4转移电子的物质的量为1mol3(-2)=2mol，

因此，本题正确答案是：2mol；
（2）已知：Ⅰ．CO2(g)+ 3H2(g)═CH3OH(g)+ H2O(g) △H1=-53.7kJ/mol，
Ⅱ．CH3OCH3(g)+H2O(g) ═ 2CH3OH(g) △H2=+23.4kJ/mol，
根据盖斯定律，Ⅰ×2-Ⅱ可得：2CO2(g)+ 6H2(g) CH3OCH3 (g)+3H2O(g)，则△H3=2△H1-△H2=2(-53.7kJ/mol)- 23.4kJ/mol =-130.8 kJ/mol；

因此，本题正确答案是：-130.8；
①a．逆反应速率先增大后减小，可能是增大生成物浓度，平衡逆向移动，故a错误；
b．H2的转化率增大，平衡一定正向移动，故b正确；
c．反应物的体积百分含量减小，可能是增大生成物浓度等，平衡逆向移动，故c错误；
d．容器中的nCO2/nH2值变小，可能是减小二氧化碳的物质的量，平衡逆向移动，故d错误，
故选：b；

②T1温度下，将6 mol CO2和12molH2充入2L的密闭容器中，由图象可以知道，5 min后反应达到平衡状态时二氧化碳转化率为60%，则生成CH3OCH3为6 mol60%=1.8mol，

所以平均反应速率v(CH3OCH3) ==0.18mol·L-1·min-1；

平衡常数仅与温度有关，温度不变，平衡常数不变，所以KA=KC，在相同投料比时，T1温度下二氧化碳转化率大，所以T1温度下较T2温度下正向进行程度大，则KA=KC>KB；

因此，本题正确答案是：0.18mol·L-1·min-1；KA=KC>KB；

（3）根据盐类水解规律，已知NH3·H2O的电离平衡常数Kb=2×10-5，H2CO3的电离平衡常数K1=4×10-7，K2=4×10-11，所以碳酸氢根的水解程度更大，所以c（NH4+） 大于c（HCO3-）；反应NH4++HCO3－+H2ONH3·H2O+H2CO3的平衡常数K====1.2510-3；
故答案为：>；1.25×10-3；